高職《單片機應用技術》課引入機器人教學之探討

林 嘉

（珠海城市職業(yè)技術學院 廣東 珠海 519090）

近年來，大多數(shù)職業(yè)院校都走上了基于工作過程的項目教學道路，課程教學注意與企業(yè)崗位相聯(lián)系。在教學實施過程中，學生的自主空間增加，在任務驅(qū)動下，學生的學習積極性也增強了。然而，這些任務多是以驗證性實驗為主，學生照著實驗指導書上的內(nèi)容開展實驗，完成效果良好，但是創(chuàng)新能力未能完全發(fā)揮。因此，課程的開展仍需要進一步研究。

引入機器人教學有助于《單片機應用技術》課程的開展，并能培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。機器人技術涉及的面很廣，是跨多個學科的綜合性技術，涉及自動控制、計算機、傳感器、人工智能、電子技術和機械工程等多個學科。近年來，我國的機器人技術教育有了很大的發(fā)展，機器人課程逐步引入某些高校的綜合性實踐課程，能否有效地開展機器人教學，已經(jīng)成為直接影響學生綜合能力培養(yǎng)和綜合素質(zhì)提高的重要因素。

在高職院校電子信息專業(yè)開設如 “機器人學”、“機器人概論”等理論性強的課程則沒有必要，這違背了高職教育的目的。所以，不能仿效本科院校以及傳統(tǒng)?？圃盒５慕?jīng)驗，應該從高職教育的特點出發(fā)，將機器人教育與相關專業(yè)課程相結(jié)合，借助品牌生產(chǎn)廠商專門開發(fā)的機器人成品、套裝或散件，布置與課程相關的、具有創(chuàng)新性的任務，讓學生自己動手組裝和調(diào)試電路并完成任務，以激發(fā)學生學習興趣，培養(yǎng)學生的綜合能力。

單片機教學存在的問題

傳統(tǒng)的單片機教學，以單片機的結(jié)構為主線，先講單片機的硬件結(jié)構，然后講指令、軟件編程，接著是單片機系統(tǒng)的擴展和各種外圍器件的應用，最后再講一些實例。這種先理論后實踐，教與做分離的教學模式，使高職學生普遍感到難以吸收。如某些教師，在學生學完了《單片機原理和應用》課程的理論內(nèi)容，且進行了相應的教學實驗之后，專門安排1～2周時間讓學生運用本課程所學知識，及先前學過的電子技術知識，結(jié)合所學專業(yè)設計出單片機對機電設備的某一部分控制的硬件電路和軟件程序，在實驗室進行電路的連接與調(diào)試。高職學生很難接受純理論教學，理論課效果不理想，安排的教學實驗難以很好地結(jié)合理論知識，更談不上讓學生運用課程知識完成任務。

某些院校購買相關的單片機實驗模塊供學生實驗，學生實驗結(jié)束覺得自己學會了單片機操作，但這還遠遠不夠。運用實驗模塊的確可以快捷方便地進行操作，但最大的缺點是不能進行硬件設計，單片機硬件和軟件不可分，所以，運用該類實驗模塊還是有一定缺陷的。

單片機教學改革

（一）實訓平臺的選取

如今許多企業(yè)針對高校相關課程研發(fā)了各類機器人，如深圳歐鵬科技有限公司的智能小車（如圖1所示）。它結(jié)構簡單，配置合理，包括C51+AVR教學板、兩個連續(xù)旋轉(zhuǎn)的舵機、開放的實驗面包板。以教學板為核心，舵機的控制可作為其中一個簡單任務讓學生完成，實驗面包板則是學生完成更復雜功能電路搭建任務的平臺。

在第一次課上就要向?qū)W生說明，課程的內(nèi)容圍繞小車的控制任務來展開。可以預先編制一些簡單的程序進行演示，讓小車實現(xiàn)直走、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。這樣很直觀，必然能引起學生極大的興趣，激發(fā)學生學習單片機的積極性。其目的則是讓學生樹立學好單片機的自信心。

圖1 智能小車示意圖

（二）課程的開展

現(xiàn)在許多企業(yè)對學生的系統(tǒng)方案解決能力要求越來越高，要求他們能夠迅速地拿出硬件初步方案，并用盡可能短的時間構建出一個軟件原型。同時，由于系統(tǒng)硬件價格的降低，對軟件的要求也從節(jié)省內(nèi)存、高效向可讀性強、結(jié)構好轉(zhuǎn)變。現(xiàn)在社會上的單片機系統(tǒng)普遍采用了基于C51高級語言的軟件系統(tǒng)。因為C51高級語言具有程序結(jié)構清晰、可讀性好、易于維護的優(yōu)點，一條C語言相當于幾條匯編指令，完成同樣功能程序的行數(shù)也大大縮小，更便于復雜算法的實現(xiàn)和調(diào)試。這也要求我們在課程及實驗中要對學生進行相應的訓練。

因此，可選取以下幾項實訓任務進行教學活動。

實訓一：系統(tǒng)認識 向?qū)W生講解智能小車核心板的結(jié)構（如圖 2所示）。學生能夠了解核心板上有單片機、電源電路、程序下載口、復位電路、單片機的I/O端口接口電路和可供擴展的面板包及其相應的使用就足夠了。還要讓學生認識單片機基本系統(tǒng)的硬件設備，熟悉C51仿真軟件的使用。在實訓難度安排上，力求做到由淺入深，循序漸進。布置LED燈單燈閃爍任務，讓學生動手在面包板上搭建LED燈電路，并提供示例程序，指導學生使用集成開發(fā)環(huán)境、編寫程序、仿真調(diào)試、觀察輸出。通過這個實訓，學生可以對整個系統(tǒng)有初步的認識，對編程語言有初步的了解，為今后的系統(tǒng)設計及編程打下好的基礎。

圖2 智能小車核心板示意圖

實訓二：單片機輸出接口與機器人巡航控制 該實訓目的是要求學生理解和掌握用單片機輸出接口控制伺服電機方向、速度和運行時間的相關原理和編程技術，達到控制機器人運動的目的。可分成幾個小任務來進行，通過分任務一“單燈閃爍控制”使學生懂得編寫延時程序控制LED燈閃爍的頻率。然后，講解伺服電機的控制原理與改變LED燈閃爍頻率的相似性，從而通過分任務二“機器人伺服電機的控制信號”引導學生自主思考如何讓機器人的兩個輪子全速、減速運轉(zhuǎn)，最終實現(xiàn)機器人前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和原地旋轉(zhuǎn)的動作。這樣，學生對輸出接口就有了總體認識。

實訓三：單片機輸入接口與機器人觸覺導航 通過該實訓，使學生了解任何一個自動化系統(tǒng)（不僅僅是機器人），都是通過傳感器獲取外界信息的，再通過接口傳入單片機，由單片機根據(jù)反饋信息進行計算和決策，生成控制命令，然后通過輸出接口去控制系統(tǒng)相應的執(zhí)行機構，完成系統(tǒng)所需任務。學生自主搭建“觸須電路”，使機器人有觸覺導航功能。最終學生就掌握了單片機輸入接口的作用及其編程技術。

實訓四：單片機輸入/輸出接口與紅外線導航 該實訓與前三個實訓內(nèi)容相關，主要是讓學生了解紅外傳感器的基本使用方法。首先，給學生講解該實訓是在前面掌握了單片機輸入/輸出接口的基礎上進行的，并讓學生了解智能機器人要更多地接收外界的各類信息，傳感器的使用必不可少，而紅外傳感器就是這類器件的典型。可讓學生通過完成IR發(fā)射及探測器電路的搭建，并編寫簡單程序，最終實現(xiàn)機器人無線避障功能，也為下一個實訓打下基礎。

實訓五：機器人的距離檢測 距離檢測通常由聲吶完成。然而，還有另一種方法：可采用上一與實訓中相同的紅外傳感器電路。這一實訓的任務是要求學生實現(xiàn)使機器人檢測到前方物體的距離，跟隨物體行走而不會碰上它。該項目涉及的內(nèi)容還包括定時/計數(shù)器的運用。先讓學生了解定時器的基本使用方法，再進一步利用單片機中的定時器和紅外探測器測試掃描頻率。學生對基本使用方法了解以后，就該提出更高的要求。最后，要求學生完成尾隨小車的功能。

實訓六：機器人中UART的應用 在這一實訓中，學生要完成單片機串口與計算機串口的連接，在機器人運行的同時向上位機傳送運行數(shù)據(jù)的任務。主要涉及單片機串行口的硬件電路連接和串行口驅(qū)動程序編寫，以及單片機中斷系統(tǒng)的應用。

實訓七：機器人綜合任務 本實訓要求學生完成智能機器人搬運任務。該任務的要求是，學生隨機抽取搬運任務，充分利用智能小車的實驗面包板搭建硬件資源，利用所學的匯編及C51程序知識，自行設計一個搬運方案，在一個規(guī)定的畫有黑線軌道的白色背景圖上完成搬運任務。該實訓可以通過分組比賽的形式進行，以最準確無誤地把所有物塊推到目標位置為依據(jù)，給每個小組打分，作為學生期末成績的一部分。

以上七個綜合性實訓，并不是以語言或者指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構的學習為中心，而是以任務為中心，學生在完成任務的同時學習，在學習中鞏固知識。七個實訓達到了既重視基本技巧訓練，又給學生提供自由發(fā)展的機會。緊湊的實訓內(nèi)容迫使學生在課下花費更多的時間來學習和研究，從而達到對系統(tǒng)的熟練掌握和學會程序編寫，語言系統(tǒng)的掌握也就水到渠成了。

（三）考核方式

考試是教學評價的一個重要手段，但不能把考試當作目的。采用科學合理的考試形式來準確地評價學生是教學改革的基礎。應通過考試檢查教學效果、教學目標實現(xiàn)的程度，以便于改進教學工作，提高教學質(zhì)量，鞭策學生積極努力地學習。因此，考核可采用以下形式：實踐考試和理論考試相結(jié)合；實踐考試采用五級制，理論考試采用百分制，只有同時滿足實踐考試達到及格和理論考試達到60分，本課程才能獲得學分。這樣做，可以引導學生強化實踐動手能力。實踐考試就是學生平時進行的七個實訓的完成情況。理論考試難度不宜太大，實訓任務涉及的程序包含在內(nèi)即可。

通過以上教學改革，我們期望能達到以下目標：（1）適應不同層次學生的需要；（2）提高實訓效率；（3）創(chuàng)新性、啟發(fā)性實驗內(nèi)容增大，激發(fā)學生的學習興趣；（4）基本達到社會對單片機培訓人才的需要。

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